Inventaire des instruments scientifiques anciens
dans les établissements publics

Gyroscopes:
1°: Appareil de Bohnenberger pour démontrer
la précession des équinoxes et la nutation
2°: Gyroscope de Foucault

On sait que l'axe de la terre est incliné sur le plan de l'écliptique; qu'il forme, avec la perpendiculaire à ce plan, un angle de 23°28', et qu'enfin il conserve une direction toujours parallèle à elle-même: ce qui est la cause du changement pérodique des saisons. Mais ce parallélisme de l'axe terrestre n'est pas absolu. En réalité, sous l'influence de l'attraction solaire, l'axe terrestre décrit, très lentement à la vérité, autour de la perpendiculaire au plan de l'écliptique, une surface conique: c'est le mouvement de précession; et, de plus, sous l'influence de l'attraction lunaire, ce même axe se déplace autour d'une des génératrices du cône, de telle sorte que chacune de ses extrémités décrit une ellipse: c'est le mouvement de nutation. L'appareil de Bohnenberger permet de reproduire très exactement ce double phénomène. C'est un sphéroïde ou tore mobile sur un axe dans un anneau, qui est lui-même mobile sur un axe perpendiculaire au premier, dans un second anneau, mobile à son tour dans un troisième; ce qui permet de faire prendre toutes les positions à l'appareil.

Pour reproduire la précession des équinoxes, on place le tore dans une position inclinée, semblable à celle de la terre sur le plan de l'écliptique; on fixe à l'une des extrémités de l'axe du tore une petite masse additionnelle qui, agissant comme l'attraction solaire, tend à redresser la ligne des pôles, mais aussi n'effectue ce redressement qu'avec lenteur. On enroule ensuite un cordon autour du même axe, et en le déroulant vivement, comme avec une toupie, on imprime à la sphère un mouvement de rotation très rapide. Cette rotation se composant avec celleque produit la petite masse, détermine l'inclinaison de l'axe, c'est-à-dire le mouvement de précession. Pour reproduire la nutation, on fait tourner le sphéroïde, comme précédemment , dans une position inclinée, et lorsque sa rotation commence à se ralentir, on frappe légèrement le cercle qui porte l'axe, près de la masse additionnelle, et l'on voit distinctement chaque extrémité de l'axe décrire une ellipse autour de la génératrice du cône de précession. Les chocs imprimés au cercle agissent donc comme le fait l'attraction de la lune.

Le gyroscope a été imaginé par Foucault pour mettre en évidence le mouvement de rotation de la Terre. Son emploi repose sur ce principe de mécanique que lorsqu'un corps, qui n'est soumis à aucune force extérieure, est animé d'un mouvement de rotation autour d'un de ses axes principaux d'inertie, cet axe doit rester parallèle à lui-même si l'on vient à déplacer le corps d'une manière quelconque, tout en laissant l'axe libre de prendre toutes les directions. Si donc, on imagine qu'une toupie soit suspendue de manière à être soustraite à l'action de la pesanteur, et de façon que son axe de rotation puisse s'orienter dans tous les sens, il arrivera que cet axe conservera une direction fixe dans l'espace, quoi qu'il soit entraîné par le mouvement de la terre; par conséquent, il semblera se déplacer par rapport aux objets terrestres, et son mouvement relatif sera le même que celui des directions fixes du ciel, c'est-à-dire qu'il semblera tourner comme les étoiles autour de l'axe du monde, dans le sens du mouvement diurne et dans une période de 24 heures sidérales.

Le gyroscope de Foucault est une toupie rectifiée avec grande précision, formée d'une masse de cuivre de forme torique ou ellipsoïde, montée sur un axe dont les deux extrémités sont fixées sur un anneau lui-même suspendu aux deux extrémités du diamètre perpendiculaire à celui de l'axe qui porte la masse de cuivre, de sorte que celle-ci peut prendre toutes les inclinaisons possibles sur l'horizon. Les deux pivots de ce premier anneau reposent sur un deuxième anneau plus grand, monté lui-même sur pivots lui permettant une rotation verticale. Son plan, et par suite l'axe de l'ellipsoïde, peut donc s'orienter dans les azimuts. Il résulte donc de ce mode de suspension que l'axe de la masse est entièrement libre; de plus, il est évidemment en équilibre dans toutes les positions. Pour faire l'expérience, on imprime à la masse de cuivre un mouvement rapide, au moyen d'une ficelle enroulée autour de l'axe, que l'on tire brusquement, comme on le ferait pour une toupie. On reconnaît alors que l'axe de rotation semble décrire un cône autour de la ligne des pôles, et sa vitesse de rotation apparente est pratiquement celle qui conduirait à un tour entier en 24 heures.

Si on fixe horizontalement l'anneau intérieur, l'axe de rotation ne pourra plus se déplacer que dans un plan horizontal. L'expérience et la théorie indiquent que la masse exécute une série d'oscillations autour de la méridienne, sur laquelle il vient finalement se fixer quand les frottements ont absorbé ce mouvement oscillatoire, pourvu toutefois que la rotation de la toupie dure assez longtemps. Si, au contraire, on fixe l'anneau vertical dans un plan perpendiculaire au plan méridien, l'axe de rotation ne pourra plus se déplacer que dans ce plan méridien. On le voit alors se fixer, après plusieurs oscillations, dans la direction même de l'axe du monde. Sur certains gyroscopes perfectionnés, des cercles divisés pemettent de relever avec précision la position de la masse rotative, de sorte qu'on peut, avec cet instrument, déterminer la position du plan méridien, celle de l'axe du monde, et par suite, la latitude. Le principe mécanique sur lequel repose le gyroscope a trouvé une application pratique dans l'aéronautique naissante: une masse dont la rotation est entretenue par un élément moteur, placée dans une fusée, peut influencer la trajectoire de celle-ci, si l'on dévie judicieusement son axe de rotation.